Beeinflussung von elektrischen Zündsystemen durch Hochfrequenzeinstrahlung

Neuere wissenschaftliche Untersuchungen und europäische Normenvorschläge zeigen, dass die zur Zeit geltenden Sicherheitsabstände von Funksendern nach der BG-Vorschrift BGV C 24 (früher VBG 46), § 28, dem heutigen Kenntnisstand nicht mehr voll genügen. Dieser Beitrag macht deutlich, dass die nach der BGV geltenden Sicherheitsabstände im Bereich der Rundfunksender teilweise zu gering und im Bereich der mobilen Funkgeräte teilweise zu hoch sind. Es werden Vorschläge zur Neufassung der Sicherheitsabstandstabelle, auch unter Einbeziehung der A- und HU-Zünder, gemacht. Einige Beispiele demonstrieren, wie sich diese Vorschläge in der Praxis auswirken. Die Ausführungen geben den aktuellen Stand der Technik wieder und müssen bei der Durchführung von Sprengarbeiten beachtet werden, bis die entsprechende BG-Vorschrift geändert ist.

Die heute geltenden Sicherheitsabstände des § 28 der BG-Vorschrift "Sprengarbeiten" (BGV C 24 – früher VBG 46) für elektrische U-Zünder wurden in den sechziger und siebziger Jahren aufgrund von Veröffentlichungen von Schwenkhagen [1], Gehm / Bittner / Wottschke [2] und Bittner / Rehbock / Röh [3] festgelegt. Die Tabelle 1 zeigt die hier vorgeschriebenen Mindestabstände.

Tabelle 1:
Bisherige Mindestabstände für elektrische U-Zünder nach § 28

Die Aufnahme der Sicherheitsabstände in die BGV C 24 erfolgte nicht wegen realer Vorkommnisse, sondern nur aus präventiven Gründen. Frühzündungen durch Hochfrequenzeinstrahlung sind weder vor noch nach der Einführung dieser Sicherheitsabstände nachweislich bekannt geworden. Die immer größer werdende Dichte von Funknetzen, insbesondere von mobilen Funknetzen, warf nun erneut die Frage auf, ob sich die Gefahren einer ungewollten Frühzündung von elektrischen Sprengzündern durch Hochfrequenzeinstrahlung nicht doch erhöht haben, und ob die schon seit Anfang der siebziger Jahre geltenden Sicherheitsabstände dem heutigen Wissensstand entsprechen.

Ende der siebziger Jahre wurde vorgeschlagen, im Rahmen der DIN VDE 0848, Sicherheit in elektromagnetischen, magnetischen und elektrischen Feldern, als zusätzlichen Teil eine Norm über die Vermeidung der unbeabsichtigten Zündung von elektrischen Brückenzündern aufzunehmen.

Ein erster Entwurf wurde im August 1979 im Wesentlichen von Dr. Bittner, PTB Braunschweig, erstellt. In diesen Normenentwurf wurden für U-Zünder die Abstände der damaligen UVV eingesetzt.

Für A-Zünder wurden etwa doppelte Abstände und für HU-Zünder ca. 1/3-Abstände der U-Zünder-Abstände vorgeschlagen. Dahme, Institut für Rundfunktechnik, München, und Rothe, Fernmeldetechnisches Zentralamt, Darmstadt, bezweifelten die vorgeschlagenen Sicherheitsabstände. Sie führten deshalb Versuche in der Nähe der Mittelwellen-Sender Wolfsheim und Saarbrücken durch [4].

So spannte man z. B. in 400 Metern Abstand eines 1,1 MW starken 1000-kHz-Senders in circa einem Meter Höhe eine Antenne mit einer Länge von einem Viertel der Wellenlänge, also 75 Metern. Nach dem Norm-Entwurf wurde ein Mindestabstand von 300 Metern von einem derartigen Sender für U-Zünder gefordert. Beim Anschließen eines U-Zünders ans Ende dieser Antenne und Erden des anderen Zünderdrahtes kam es regelmäßig zu Zündungen.

In der Antenne wurde gegen Erde ein Strom von 900 mA gemessen. Wie später gezeigt wird, nimmt der Stromfluss in einem Zündkreis proportional zur Entfernung von einem Sender ab. Wenn in 400 Metern Entfernung von einem Sender in einem Zündkreis ein Strom von 900 mA fließt, wird in einer Entfernung von 800 Metern im selben Zündkreis der Stromfluss nur 450 mA betragen. Das bedeutet, dass erst ab einer Entfernung von ca. 800 Metern ein Strom von 450 mA – der unteren Zündgrenze von U-Zündern – oder weniger zu erwarten ist. Folglich war für diese Frequenz und Sendeleistung der Sicherheitsabstand um mindestens den Faktor 2,7 zu klein. Deshalb konnte der DIN-Entwurf in dieser Form nicht akzeptiert werden.

Aufgrund dieses Sachverhaltes gründete die DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik) Anfang 1980 den AK 764.0.2, um einen neuen Normenentwurf zu erarbeiten. In den folgenden Jahren wurden von Dahme und im Ins-

titut für Elektronik der Universität der Bundeswehr in München zahlreiche Modellrechnungen durchgeführt [5]. Alle diese Rechnungen erbrachten keine direkt für die Praxis anwendbaren Ergebnisse. Das führte zum Stillstand der Arbeiten an einer deutschen Norm und zur Auflösung des Arbeitskreises durch das K 764 und einem Übergang des Tätigkeitsfeldes in den AK 764.0.1 mit dem neuen Aufgabengebiet "Beeinflussung von explosionsfähigen Atmosphären oder von elektrischen Sprengzündern durch elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder".

Auf dem Gebiet der Beeinflussung der elektrischen Sprengzünder ruht seit zwei Jahren die Arbeit, um die Ergebnisse eines CENELEC-Arbeitskreises, auf den später näher eingegangen wird, abzuwarten.

Mitte der 80er Jahre wurde in Großbritannien vom BSI (British Standards Institution) unter der Bezeichnung BS 6657 die nationale Norm "Prevention of inadvertent initiation of electro-explosive devices by radio-frequency radiation" herausgegeben. Grundlage dieser Norm war eine Veröffentlichung von Bishop und Knight aus dem Jahr 1984 [6]. In der Norm BS 6657 wird davon ausgegangen, dass in zu Dipolen geformten Zünderdrähten bzw. in ausgelegten Zündkreisen bei bestimmten Frequenzen und bestimmten Feldstärken bestimmte maximale Ströme induziert werden können. Diese Ströme müssen unterhalb der Streustromgrenze der Zünder liegen, wenn unbeabsichtigte Frühzündungen vermieden werden sollen.

Aufgrund der Berechnungen und Messungen von Bishop und Knight legte man daraufhin frequenzabhängige Feldstärkewerte, bei denen mit Sicherheit keine Zündung von in Großbritannien gebräuchlichen elektrischen Zündern auftritt, in der Norm fest. Es wird dabei davon ausgegangen, dass beim Hantieren mit den Zündern Dipole gebildet werden können, die maximal ein Meter über dem Erdreich liegen. Als maximale Zünderdrahtlänge wird dabei fünf Meter angenommen. Ferner wird ein maximaler Zündkreisumfang von 800 Metern angenommen. Die in der britischen Norm angegebenen Berechnungsmethoden liefern nach unserem Wissen im Frequenzbereich bis zu 1000 MHz die einzigen zur Zeit in der Praxis brauchbaren Sicherheitswerte. Es werden dort auch Transportgrenzwerte angegeben. Etwas, das auch für Deutschland sehr interessant sein könnte.

Anfang der 90er Jahre bildete sich unter Federführung des BSI ein CENELEC- Arbeitskreis, der sich zum Ziel setzte, eine für alle EU-Staaten verbindliche Norm bezüglich der Sicherheitsabstände elektrischer Brückenzünder von Sendeanlagen oder von elektromagnetischen Quellen zu erarbeiten. Grundlage für diese neue Norm war der oben erwähnte Britische Standard 6657. Ende 1998 wurde der Entwurf unter Mitarbeit von Vertretern der interessierten europäischen Staaten fertiggestellt und dem TC31-Explosionsschutz bei CENELEC vorgestellt. Aufgrund des Umfanges dieses Entwurfes, etwa 120 Seiten, wurde im Jahr 1999 abgelehnt, ihn als Normenentwurf zu behandeln. Er wurde als sogenannter Technical Report eingestuft und soll in nächster Zeit – in ein bis zwei Jahren – bei Bedarf in den einzelnen Ländern veröffentlicht werden. Ein derartiger Technical Report spiegelt den Stand des heutigen Wissens wider und müsste dann auch bei den speziellen Unfallverhütungs-Vorschriften berücksichtigt werden.

Im Folgenden sollen die wesentlichen Ergebnisse dieses Technical Reports, der eine starke britische Prägung – z. B. Offshore-Ausrichtung – hat, dargestellt werden, und die sich daraus eventuell für deutsche Anwendungen zu ziehenden Konsequenzen diskutiert werden. Da zur Zeit nur noch redaktionelle Probleme diskutiert werden, kann von einem endgültigen Stand bei dem Technical Report gesprochen werden.

No-Fire-Feldstärke für elektrische U-Zünder

Die No-Fire-Feldstärkewerte wurden für die in Großbritannien gebräuchlichen Standard-Zünder, die in der elektrischen Empfindlichkeit zwischen den A- und U-Zündern liegen, ermittelt. Die Umrechnung auf A-, U- und HU-Zünder ist mit den Umrechnungsvorschriften des Kapitels 9.6 des Entwurfs des Technical Reports [7] möglich. Standard-Zünder haben immer Kupfer-Zünderdrähte. Da der Widerstand der Kupferdrähte im Verhältnis zum Widerstand der Glühbrücke klein ist, konnte dieser Widerstand bei den Berechnungen vernachlässigt werden. Der Widerstand der Stahldrähte von U-Zündern und der Kupferdrähte von HU-Zündern ist aber immer größer als der Glühbrückenwiderstand dieser Zünder. Deshalb wird bei diesen Umrechnungen der Widerstand der Zünderdrähte berücksichtigt. Bei unseren Berechnungen haben wir den Widerstand der gesamten Zünderdrahtlänge eingesetzt. Dieses Verfahren ist mit einer gewissen Unsicherheit belastet, ist jedoch für die praktische Anwendung brauchbar. In Abbildung 1 ist das Ergebnis dieser Rechnungen für U-Zünder dargestellt. Entsprechende Feldstärken-Kurven wurden auch für A- und HU-Zünder ermittelt.

Mit den Feldstärkewerten kann im Allgemeinen ein normaler Sprengberechtigter nichts anfangen. Er muss wissen, welchen Abstand er von einem Sender einzuhalten hat. In der Norm werden umfangreiche Berechnungsmethoden zur Bestimmung der Feldstärke im Umkreis eines Senders angeboten. Diese Berechnungsmethoden sind jedoch so kompliziert, dass sie nur von Hochfrequenzspezialisten durchgeführt werden können. Wir haben deshalb einen einfachen Mittelweg beschritten.

Es wird davon ausgegangen, dass die Feldstärke E in der Umgebung – exakt außerhalb des Nahfeldes – eines Senders umgekehrt proportional zur Entfernung r und proportional zur Wurzel aus der Leistung P des Senders ist.

Es ergibt sich:

Die Konstante c liegt in Abhängigkeit von der Umgebung des Senders, wie Bodenleitfähigkeit, Höhe der Sendeantenne und anderen Faktoren zwischen 17,5 und 300, wenn die Feldstärke E in Volt/Meter, der Abstand r in Metern und die Senderleistung P in Kilowatt gemessen werden. Für unsere Berechnungen wurde für c ein Wert von 173 zugrunde gelegt. Daraus ergibt sich:

Mit Hilfe der Formel (2) wurden die Feldstärkewerte der Abbildung 1 in Abstands-Werte für die Umgebung von 1-kW-Sendern umgerechnet (vgl. Abbildung 2).

Sicherheitsabstand bei 1 kW- und U-Zündern

Bei diesen Sicherheitsbetrachtungen ist immer mit der effektiven Sendeleistung zu rechnen. Die effektive Sendeleistung setzt sich allgemein aus der Ausgangsleistung Pa des Senders und dem Antennengewinn g [dB] zusammen.

P = P_a*10^0,1g = P_a*G (3)

G wird auch als Antennengewinnfaktor bezeichnet. Ist z. B. für einen Sender eine Ausgangs- oder Sende-Leistung von Pa = 15 Watt und ein Antennengewinnfaktor G von 13 angegeben, ist die effektive Leistung des Senders

P = 15*13 = 195 Watt = 0,195 kW

Aus der Abbildung 2 ersieht man, dass die Sicherheitsabstände von der Sendefrequenz und von den Zündkreisdimensionen abhängig sind. Beides wird bei der zur Zeit gültigen VBG nicht berücksichtigt. So muss ein Zündkreis mit einem Gesamtumfang von 800 Metern zu einem 1-kW-Sender mit einer Frequenz von 0,225 MHz, einem typischen Langwellensender, einen Abstand von mindestens 81 Metern haben. Hätte der Zündkreis einen Umfang von nur 100 Metern, wäre ein Abstand von 3,8 Metern ausreichend gewesen. Langwellensender haben aber allgemein wesentlich höhere Leistungen als 1 kW. Sie liegen in der Größenordnung von 1 MW = 1.000 kW. In diesem Fall müssen nach der Gleichung (1) bzw. (2) die Abstände mit der Wurzel aus 1000, also ca. 32, multipliziert werden. Es ergäben sich also Abstände von 2.592 Metern bei 800 Metern Zündkreisumfang, bzw. 121,6 Metern bei 100 Metern Zündkreisumfang. Nach der VBG beträgt der Sicherheitsabstand von 1-kW-Sendeanlagen 20 Meter, in Abbildung 2 als waagerechte Gerade gezeichnet. Bei 800 Metern Zündkreisumfang wäre er also um den Faktor 4 zu klein, während er bei 100 Metern Zündkreisumfang um den Faktor 5 zu groß wäre. Bei einem 1-MW-Sender wird nach der BG-Vorschrift ein Mindestabstand von 200 Metern gefordert, während nach dem Entwurf des Technical Reports 2.592 Meter, also 13-mal mehr, zu fordern wären. Bei 100 Metern Zündkreisumfang wäre hier der geforderte Mindestabstand der BG-Vorschrift fast um den Faktor 2 zu groß. Ähnliche Überlegungen lassen sich für die verschiedenen Frequenzen anstellen.

Bei niedrigen Frequenzen benötigen einzelne Zünder wesentlich höhere Feldstärken zur Erzeugung gefahrbringender Ströme als ausgelegte Zündkreise. Ab Frequenzen von etwa sechs Megahertz wird bei Zünderdrahtlängen von fünf Metern und kürzer in ausgespannte Dipole mehr Strom induziert als in ausgelegte Zündkreise. Bei 16,5 MHz ist für U-Zünder mit Fünf-Meter-Drähten ein maximaler Sicherheitsabstand erforderlich, nach Abbildung 2 für 1-kW-Sender etwa 99 Meter. Für höhere Frequenzen wird dieser Sicherheitsabstand dann wieder kleiner. Für kürzere Zünderdrähte liegt der Sicherheitsabstand etwas höher als für die Fünf-Meter-Drähte. Für Frequenzen oberhalb 70 MHz und Sendeleistungen von weniger als 450 Watt – in diesem Bereich liegen praktisch alle mobilen Funksysteme – sind die Sicherheitsabstände des vorliegenden Entwurfes des Technical Reports immer niedriger als die der BGV.

Wenn man die oben beschriebenen Versuche von Dahme und Rothe in der Nähe der Mittelwellen-Sender Wolfsheim und Saarbrücken mit dem Entwurf des Technical Reports vergleicht, findet man eine hervorragende Übereinstimmung. Dahme und Rothe fanden, dass von dem besagten Sender mindestens ein Sicherheitsabstand von 810 Metern zu fordern sei. Nach dem Entwurf und unserer Berechnungsmethode gemäß Formel (2) käme man auf einen Abstand von 886 Meter.

Allgemein lässt sich sagen, dass nach dem Entwurf, der wohl ein Technical Report wird, bei hohen Sendeleistungen mit Erhöhungen des Sicherheitsabstandes bis zum Faktor 10 und mehr, dagegen bei niedrigen Sendeleistungen teilweise mit Erniedrigungen bis zum Faktor 10 und mehr zu rechnen ist.

Zweifellos müssen dann die heutigen Sicherheitsabstände des § 28 geändert werden. Soll weiterhin auf eine Angabe der Frequenz verzichtet werden, müsste die ungünstigste Frequenz, also 16,5 MHz, zugrunde gelegt werden, und es käme zu erheblichen Vergrößerungen der Sicherheitsabstände. Die Tabelle 2 zeigt, wie sich das tendenziell auswirken würde.

Auf wesentlich detailliertere Angaben kommt man, wenn die Sicherheitsabstände auf verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt werden. Die Tabellen 3 bis 5 zeigen die so von uns kalkulierten Abstände für U-, HU- und A-Zünder. Es muss darauf hingewiesen werden, dass es sich hierbei um vorläufige Berechnungen handelt, die bei Bedarf einer Überprüfung unterzogen werden müssten. Bis jetzt gab es nur Sicherheitsabstände für U-Zünder. Es können jetzt auch für alle anderen Zünder-Typen Sicherheitsabstände berechnet werden.

Falls die vorgeschriebenen Sicherheitsabstände nicht eingehalten werden können, sollte es möglich sein, durch einen Sachkundigen/Sachverständigen, der nachweislich ausreichende Kenntnisse auf dem Gebiet der elektromagnetischen Felder hat, prüfen zu lassen, ob aufgrund der gegebenen speziellen Verhältnisse nicht doch ein geringerer Abstand möglich ist.

Typisch hierfür wäre der Mittelwellen-Sender Saarbrücken, an dem Dahme und Rothe ihre Versuche durchführten. Nach der Tabelle 3 wäre für einen Sender mit einer Frequenz von einem Megahertz und einer Leistung von 1,1 MW ein Abstand von 4.435 Metern erforderlich. Unter Annahme eines Zündkreisdurchmessers von 150 Metern und genauer Frequenz- und Leistungsangabe käme man auf einen Abstand von circa 900 Metern. Am einfachsten wäre es, wenn vom Senderbetreiber die Feldstärke angegeben werden könnte, die am Ort des Zündkreises herrscht. Dann könnte mit der Kurve der Abbildung 1 sehr einfach die Gefährdung abgeschätzt werden. Aufgrund der aktuellen Diskussion um die Gefährdung von Herzschrittmacher-Trägern mussten oder müssen die Senderbetreiber diese Berechnungen der Feldstärken durchführen, so dass diese Angaben bald verfügbar sein könnten.

Zum Schluss soll mit fünf Beispielen gezeigt werden, wie sich das hier Vorgestellte auswirken könnte. Bei diesen Beispielen wird von einer Zünderdrahtlänge von zwei Metern oder mehr ausgegangen. Es wird angegeben, welcher Mindestabstand für U-Zünder nach der zur Zeit gültigen BGV C 24, § 28, bzw. nach der Tabelle 3 oder einem Gutachten eines Fachkundigen, auf diesem speziellen HF - Gebiet einzuhalten ist.

Aus dem 3. und 4. Beispiel ersieht man, dass man bei Handfunksprechgeräten, die immer bei Absperrmaßnahmen und dergleichen benötigt werden, versuchen sollte, Geräte mit möglichst hohen Sendefrequenzen zu verwenden.

Abschließend sei noch angemerkt, dass nichtelektrische Sprengzünder natürlich keine Sicherheitsabstände benötigen, da sie elektrisch nicht auslösbar sind. Wenn die Zündung aber mit einem elektrischen Sprengzünder eingeleitet wird, gelten natürlich wieder die Sicherheitsabstände, wie sie oben beschrieben wurden.

[1] Schwenkhagen, H. F.: Ungewollte Auslösung von elektrischen Zündern durch Hochfrequenz-Energie, Nobel Hefte 23 (1957), H. 4, S. 153-176

[2] Gehm, K. H., Bittner, G. und Wotschke, R.: Ungewollte Auslösung von elektrischen Zündern durch Hochfrequenz-Energie. Nobel Hefte 35 (1969), H. 1, S. 1-8 und PTB-Mitteilungen 2/68, S. 121-125

[3] Bittner, G., Rehbock, E. und Röh, P.: Untersuchungen über die Einwirkung elektromagnetischer Wellen über 1 GHz (Radar) auf elektrische Brückenzünder, Nobel Hefte 38 (1972), H. 2, S. 56-66

[4] Dahme, M. und Rothe, F.: Bericht über Zündversuche mit Brückenzündern im Nahbereich von Funksendern. Unveröffentlicher Bericht aus dem Institut für Rundfunktechnik, München, und dem Fernmeldetechnischen Zentralamt, Darmstadt, Dezember 1979

[5] Anke, D., Dahme, M. und Ruffing, K.: Influence of electromagnetic fields on electro-explosive devices (EED). 8th International Zurich Symposium and Technical Exhibition on Electromagnetic Compability, 7-9 March, 1989, Bericht 110 R2, S. 571-576

[6] Bishop, A. E. and Knight, P.: The safe use of electro-explosive devices in electromagnetic fields. Radio and Electronic Engineer, 54, No. 7/8, pp. 321-335, July/August 1984

[7] 4th Draft Technical Report, Preventation of inadvertent initiation of bridge wire electro-explosive devices by radio – frequency radiation, GEL/602/-/1, CLCTC31(sec)317 – August 1997

Rudolf Hauke,
Mitarbeiter der Fachgebiete Sprengtechnik und elektrischer Explosionsschutz der Bergbau-Versuchsstrecke der DMT in Dortmund-Derne und Obmann des AK 764.0.1, Fax 02 31/2 49 12 24,
E-Mail: R.Hauke@dmt.de

Peter Röh,
Ehemaliger Leiter der Zündmittelentwicklung der Dynamit Nobel AG, Augustinusstr. 2, 53844 Troisdorf

Informationsübertragung in Deutschland im Jahr 2000

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